טכניקות ליישום מהיר דיגיטלית ו-Rf מעגלים על לוח יחיד

הקדמה: האתגר של עיצוב PCB מעורב

מערכות אלקטרוניות מודרניות לעתים קרובות דורשות דו קיום של לוגיקה דיגיטלית מהירה ורדיו- ⁇ (RF) מעגלים אנלוגיים על לוח מעגלים מודפס יחיד.אינטגרציה זו מונעת על ידי הביקוש לגורמי צורה קטנים יותר, עלות נמוכה יותר, ונתונים מהירים יותר באמצעות חישוב ביישומים החל ממודולי תקשורת אלחוטיים במערכות מכ"ם וציוד בדיקה מהיר גבוה.

מוצלח מיזוג מעגלים דיגיטליים ורדיו במהירות גבוהה דורש גישה שיטתית המתייחסת לכל שכבות של עיצוב PCB - מבחירה חומרית ותכנון ערימה כדי רכיב מיקום, חסימה, ריצוף, ומגן. מאמר זה חוקר את הטכניקות היעילות ביותר להשגת ביצועים חזקים בעיצובים כה מעורבים.

מימון של התערבות-פוליטית מעורבת

לפני צלילה לטכניקות ספציפיות, חיוני להבין את המנגנונים העיקריים שבהם מעגלים דיגיטליים ורדיו להפריע אחד לשני.שלוש נתיבי ההפיכה הדומיננטיים הם FLT:0 הפיכה הפיכה הפיכה הפיכה 1 באמצעות כוח משותף ומטוסי קרקע, (FLT:2capacitive הפיכה 3FLT בין עקבות סמוכים, ו-FLTDIECTDIECTlingallingalrated, דרך פיזור חשמלי עמוק של מערכות רדיו מתקדמות, במיוחד.

PCB-Up ו-Matption

בחירתו של ה-Leminate המתאים

חומר דיאלקטרי של PCB יש השפעה עמוקה על שלמות האות הדיגיטלי וביצועי RF. Standard FR-4, בעוד מגבלות כלכליות, סובלות מהפסדים דיאלקטריים גבוהים ונחיתות בלתי עקבית בתדרים מעל כמה מאות מגה-הרץ.עבור עיצובים הכוללים מעגלי RF שפועלים מעל 1 GHz, חומרים בתדר נמוך כגון רוג'רס סדרה, IS410, או PTFE מבוסס על משקל הם מעדיפים חומרים קלים (DRE) במשקל קבוע (DR) ולהפחית את ההשפעות של 2DR) ולהפחית את ההשפעות קבוע (DR) עלות)

ההרחבה: Stack-Up Organization

שכבת שכבת מעוצבת היטב מפרידה בין התחום הדיגיטלי והרדיו-רדיו באופן פיזי וחשמלי.ערימה טיפוסית של שמונה שכבות עשוי להקצות את שתי השכבות המובילות לרכיבי RF ואת ההתייחסות הקרקעית שלהם, השכבות האמצעיות לחיתוך דיגיטלי מהיר וכוח, והשכבות התחתונות לסימנים דיגיטליים נוספים או מטוס שני.המפתח הוא להציב מעגלים RF על שכבות סמוכים לקרקע רציפה עם שום מטוס דיגיטלי, לעתים קרובות, באמצעות רצפה אחת, ושטח אחד, כאשר הוא מקוטבתים, או מטוס אחד, או מטוס אחד, או מטוס אחד, או מטוס אחד, או מטוס אחד, או מטוס אחד, או מטוס אחד, או מטוס אחד, או רצפה אחרת, הוא מלמטה יותר, או מטוס אחד, או מטוס אחד, או מטוס אחד, הוא נמוך יותר, או מטוס אחד, או מטוס שני שטח שני שטח שני רצפה שנייה.

טכניקות מתקדמות

מטוסים מפוצלים ו-Stitching Vias

המאמר המקורי שהוזכר באמצעות אזורים קרקעיים נפרדים הקשורים בנקודה אחת. בפועל, היישום תלוי בטווח התדר. עבור לוחות חתומות מעורבים הפועלים מתחת למאות מגה-הרץ, מטוס קרקע מפוצל עם גשר יחיד או חיבור ferrite bead יכול להיות יעיל.עם זאת, עבור מהירויות גבוהות יותר תדרי RF מעל 500 מ"הרץ, מטוס מוצק, ללא הפסקה הוא לעתים קרובות מעל פיצול הקרקע יכול ליצור 1 מ"מ קצר יותר, במקום להשתמש ברעשים קצרים יותר, במקום צורך, במקום להשתמש ברעשים קצרים יותר, במקום להשתמש ברעשים קצרים יותר, במקום צורך, ומהירות מוגבלת יותר מאשר מ-F-F-F-F-FLT-F-F-F-F-F-מפרקים יותר, במקום צורך, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר של יותר של יותר של יותר של יותר מאשר מ-F-FLT-F-FLT-F-מפרקים פחות מ-מפרקים פחות מ-מפרקים של יותר, יותר של יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, מאשר מ-מפרקים של יותר מאשר מ-מפרקים של יותר של יותר של יותר של יותר של יותר מ-FLT-F-

המונחים: RF Components

מעגלים RF - כגון LNAs, מגברי חשמל, ומיקסרים - דורשים חיבור קרקעי נמוך-inductance. השתמש במספרים באמצעות שימוש ישירות מתחת למאגר הקרקע של הרכיב כדי למזער את החדירה הקרקעית. עבור מכשירים בעלי פני השטח, לשקול שימוש בקרקע דרך המשטח עצמו (באמצעות-in-pad) אם היצרן מאפשר מילוי טכניקה זו מפחיתה קצבה ציטטית כמעט ל- אפס דרך השכבה הבאה.

מקום החזרה

כל עקבות דיגיטליים במהירות גבוהה חייב להיות נתיב החזרה הקרקעית קרוב.באופן אידיאלי, קרקע דרך צריך להיות ממוקם בתוך 1 מ"מ של כל אות באמצעות מעברים אלה בין שכבות.זה מבטיח להחזיר זרמים הנוכחיים ישירות מתחת לסימני האות, מצמצם את אזור לולאה וקרינה. עבור זוגות שונים, להציב קרקע באמצעות סימטרי בין שני האותות.

עיצוב אימפולסיבי

מיקרוסטריפ לעומת Stripline

חסימת פריסה PCB היא חובה עבור עקבות RF והוא גם מועיל לאוטובוסים דיגיטליים מהירים (למשל, DDR, LVDS, USB 3.x) שני מבני קו השידור המשותף הם מיקרוסטריפ (מרוץ על שכבה חיצונית עם מטוס קרקע מתחת) ופסליין (מקלט בין שני מטוסי עובי קרקעיים מועדפים) מציעה גישה קלה יותר עבור רכיבים ואובדן נמוך יותר, אבל זה רגיש יותר לקרינה חיצונית ונטועתית (FD) היא גבוהה יותר עבור מתכת יעילה יותר.

Trace Width ו- Clearance

עבור תנופה נתונה, את קנה המידה הנדרש רוחב עקבות עם גובה דיאלקטרי. עקבות Wider הם בדרך כלל פחות אובדן וקל יותר לייצר.עם זאת, הם צורכים שטח לוח ועשויים ליצור בעיות הפיכה אם להציב קרוב מדי לשרידים אחרים. לשמור לפחות שלוש פעמים רוחב העקביות (3W) כדי לשמור אותות סמוכים כדי לשמור על פני רמות מקובלות. עבור RF קריטיים, להשתמש בגל משותף עם גל מונחה עם שטח (Wip) יכול לספק אותות טובים יותר על ידי מבנה ספציפי יותר מאשר על ידי בידוד ספציפי.

המונחים: digital Lines

עבור אוטובוסים דיגיטליים, מטרת אימפולס אופייני של 50 ⁇ עבור קווים חד-צדדיים ו -100 ⁇ עבור זוגות שונים.אלה ערכים סטנדרטיים כי רבים ICs נועדו לנהוג. השתמש סדרה סיום התנגדות להציב קרוב לנהג כדי להתאים את האיפוחיות המקור וקליטת ההשתקפות. עבור ממשקי זיכרון DDR, לדבוק בטופולוגיה זבוב ולהבטיח כי כל העקבות הם לאורך זמן בתוך התזמון.

מקום מקביל וחלוקה גופנית

המונחים: space-based Layout

לחלק את ה- PCB לאזורים פיזיים נפרדים: אזור RF, אזור דיגיטלי מהיר, אזור דיגיטלי מהיר במהירות נמוכה, ואזור כוח. Place אזור RF ליד קו הקצה או נמל אנטנה כדי למזער את אורך גלי הרדיו. האזור הדיגיטלי המהיר המהיר צריך להיות רחוק מאזור RF ככל האפשר, אידיאלי בצד השני של הלוח.

עקבו אחרי Boundary

ממירים אנליגנו-ל-דיגיטליים (ADCs) וממירים דיגיטליים-ל-אנטים (DACs) יושבים בממשק בין תחומים דיגיטליים ורדיו- RF. Place אלה המרירים על גבול שני האזורים, עם הפינים האנלוגיים שלהם מול צד RF ו pins דיגיטליים העומדים בפני הצד הדיגיטלי. השתמש בקיצוץ הקרקעי מתחת לממיר אם מומלץ על ידי הנתונים לפרוץ את הקשר בין אנלוגי לבין ה-ידי ה-זמנית לבין ה-זמנית ל-זמנית, כמו גם אם ניתן לספק את ה-זמנית, כ-זמנית, כ-זמנית, כ-זמנית, כ-זמנית, כ-זמנית, כ-זמנית, כ-זמנית, כ-זמנית, כ-זמנית, כ-זמנית, כ-זמנית, כ-זמנית, כ-Frecepif.

החלמה דרך חסימות

Create ground keepout areas (no copper) under sensitive RF components such as inductors and VCOs to reduce parasitic capacitance to the ground plane. Similarly, keep high-speed digital traces at least 10 mm away from any RF component that is not shielded. If board space is tight, use a ground fence (rows of vias connected to ground) around the RF section to create a Faraday cage effect.

Power Distribution Network (PDN) Design forמעורבות אותות

מטוסים נפרדים

רעש החלפת דיגיטלי יכול בקלות לנסוע דרך מטוסים משותפים לקווי אספקת RF.עדיף להקצות מטוסים נפרדים של חשמל עבור החלקים הדיגיטליים והרדיו.אם זה לא אפשרי, להשתמש בקיצוץ כוח כדי להפריד פיזית את שני התחומים ולחבר אותם דרך עקבות צרים או fer bead.The fer bead מספק תנופה גבוהה בתדרים RF בעת שעבר DC, עם זאת להיות מודע כי מפרשים יכולים להפוך להפסדים נוכחיים מתאימים; אחד יכול להיות בחירה מתאימה עם דירוג הנוכחי.

חתלתול ועוקף

כל IC פעיל צריך להיות מפוצץ קיבולים עבור כל סיכה כוח. עבור מכשירים דיגיטליים, להשתמש שילוב של רוב אלקטרוליטי capacitors (10-100 μF) ו מחסנים קטנים (0.1 μF ו 0.01 μF) ממוקם קרוב ל pin ככל האפשר. עבור RF ICs, להשתמש ברקמות נמוכות של חנק (למשל, קיבולת כפולה עם 10C) עם זההחלק כפול עם הפחתת כוח קטן עם ה- 10.

PDN Impedance Target

רשת חלוקת החשמל חייבת להיות אימפולס נמוך לאורך כל טווח התדירות של עניין.עבור מעגלים דיגיטליים, חסימה המטרה היא לעתים קרובות פחות מ-0.1 ⁇ מ- DC עד לתדירות המעבר.עבור מעגלי RF, הדחף צריך להישאר מתחת כמה אומות בתדר התפעולי. השתמש בכלים כמו SIwave או PowerSI כדי מודל PDN וזיהוי פסגות resonant כי ייתכן צורך לחיבוק נוסף או decoupling.

אסטרטגיות ל Buses מעורבים-Signal

אוטובוס דיגיטלי רוסינג

אוטובוסים דיגיטליים מהירים (למשל, DDR4, PCIe, Gigabit Ethernet) חייבים להיות מוצפים עם תנופה מבוקרת ואורך התאמה. לשמור על אורך עקבות קצרים ככל האפשר כדי למזער ולהשתקפות. להימנע מ-90 מעלות חדות; להשתמש chamfers 45 מעלות או עקבות מעוקל במקום.

RF Trace רוסינג

עקבות RF צריך להיות קצר ו ישיר ככל האפשר.כל בונד יוצר הפסקת אש; להשתמש בנדים ממאירים עם פיצוי כדי לשמור על אורך חשמל קבוע.הימנעות מריצה של עקבות RF על פערים במטוס הקרקע, שכן זה משנה את המכשולים האופייניים וגורם השתקפות.אם עקבות RF חייב לשנות שכבות, להציב שתי או יותר קרקעות באמצעות מעבר באמצעות מעבר כדי לספק נתיב מתמשך עבור אותות RF / מקיפים.

שעון ומסריבי אות נזל

אותות השעון הם בעייתיים במיוחד משום שהם תקופתיים ועשירים בהרמוניה. שמור על כל עקבות השעון קצרים ככל האפשר ולהוביל אותם על אותה שכבה עם מטוס קרקע ברור מתחת.אל תצמידו שעונים במקביל לכל עקבות RF; אם הם חייבים לחצות, להשתמש אוטגוני על שכבות שונות מופרדות על ידי מטוס קרקע.

טכניקת הגנה ושיקום

Metal Cans and Ground פנטוס

כאשר על סקייטבורד לא יכול להשיג בידוד מספיק, להוסיף מגן מתכת על פני קטעי RF.אפשר למכור את הטבעת הקרקע מוצק על ה- PCB עם הרבה קרקע באמצעות משטחים סביב המערכת.להבטיח שהמגן אין חזרות בתוך רצועת תדר הפעלה.עבור אלטרנטיבה בעלות נמוכה יותר, ליצור גדר על ידי הצבת שורה של דרך דפוס מלבני סביב אזור RF, ולאחר מכן נמכר קליטה זו הוא על מתכת קליטה דקה (R) או על גבי מתכת.

חומרי Capacitance ו Absorber

כמה עיצובים דיגיטליים ורדיו מהירים נהנים משכבות קיבוליות משובצות – דיאלקטריות דקות מאוד בין מטוסים קרקעיים לספק קידוד גבוה יותר.בנוסף, EMI סופגנים (למשל, גליונות מפרטקס או קצף פחמן מוטען) ניתן להציב מעל אזורים דיגיטליים רועשים כדי לחסן פליטות קרינה.

המונחים: I / O Lines

כל האותות שעוברים מאזור הדיגיטלי לאזור RF צריכים להיות מסננים RC נמוכים עם תדרי חיתוך מתחת ללהקת RF, או להשתמש ב-ferrite beads בסדרה עם קו האות.עבור קווי בקרה דיגיטליים (למשל, SPI או GPIO), סדרה התנגדות של 10-100 ⁇ ו-RF קטן ל- 10-100 F) יכול לדכא את הרעש הגבוה (כלומר, טקסטטאין) אל מול רעשים עמוקים (ד דיגיטלי).

סימבול ו-Verification

המונחים: LAYET REIEET REITION

לפני ביצוע הפריסה, הפעל סימולציות טרום עיכוב של מסלולי האות PDN ודרכי אות קריטיים. כלים כגון Keysight ADS, Ansys HFSS, או קוד פתוח מקבילות כמו OpenEMS יכול לחזות צולב, אובדן החדרה, והפסד החזרה.צעד זה עוזר לבחור פרמטרים מתאימים של ערימה וערכי רכיב.

פוסט-Layout Simulation

לאחר מחיקה, לחלץ S-parameters עבור עקבות RF להעריך דיאגרמות עיניים עבור אוטובוסים דיגיטליים במהירות גבוהה.בדוק כי כל מטרות עכבות הם נפגשו וכי אין עקבות יש עודף זמן לא מתאים.בנוסף, לדמות את ההפיכה בין aggressor ורשתות הקורבן באמצעות פותרי שדה.אם בידוד צפוי מתחת 40 dB, לשקול הוספת קרקע נוספת באמצעות ספאק או ספאק.

המונחים: Prototype and Measurement

גם עם סימולציה יסודית, מדידה היא חיונית.שימוש מנתח רשת וקטור (VNA) כדי לאפיין עקבות RF ו למדוד אובדן החזרה. a time-domain רפמטר (TDR) יכול לאמת פרופילים של קווים דיגיטליים. השתמש מנתח ספקטרום ובדיקות ליד שדה כדי לזהות כתמים חמים.זהר על פריסה עד שהעיצוב עומד על מפרט.

עיצוב כללי

• בחר Dk נמוך, יציב עבור תדרים מעל 1 GHz.
• השתמש בערימה של 6 עד 12 שכבות עם מטוסים קרקעיים ייעודיים לרדיו ותחומים דיגיטליים.
• חלוקת הלוח ל-RF, במהירות דיגיטלית, ואזורים דיגיטליים מהירים עם גבולות ברורים.
• יש צורך במטוס קרקע מוצק, לא שבור, אם נעשה שימוש בפיצול, להתחבר עם נקודה אחת והרבה תפרים דרך.
• עיצוב כל RF וסימנים דיגיטליים קריטיים עבור אי-ציות מבוקר (50 ⁇ יחיד, 100 ⁇ שונה).
• מקום decoupling capacitors קרוב ככל האפשר ל- IC Power pins עם שטח לולאה מינימלי.
• הוסף הגנה על כלובים או גדרות קרקע סביב בלוקים רגישים של RF.
• מסנן כל קווי I / O לחצות בין תחומים דיגיטליים ורדיו.
• סימס PDN אימפולס, ציות אות ו EMI לפני ייצור.
• Prototype ומבחן עם VNA, TDR, ו- ספקטרום מנתח.

על ידי יישום טכניקות אלה באופן שיטתי, מהנדסים יכולים להשיג PCB בעל חתימה מעורבת העומד בדרישות ביצועים דיגיטליים ורדיו במהירות גבוהה.המפתח הוא לטפל בלוח לא כמו שני עיצובים נפרדים המתאחדים על תת-קרקעית אחת, אלא כמערכת מאוחדת שבה כל החלטה - מבחירה חומרית ועד דרך מיקום - תורמת לשלמות הכוללת.עם תכנון קפדני וסימולציה קפדנית, האינטגרציה קטנה יותר, יעילה יותר.

לקריאה נוספת, ייעוץ (FLT:0) מדריך של Microwave Journal על עיצוב ה- PCB מעורבב: 1 ו-FLT:2TI הערה על ריצוף ופריסה עבור מערכות בעלות חתימה מהירה מעורבב 3.